Buck变换器的两种不同数字控制器设计方法

Vol.33No.12019年2月JournalofAirForceEarlyWarningAcademy

Feb.2019

DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2019.01.014

Buck变换器的两种不同数字控制器设计方法

胡方舟，赵宏涛，祁承超，陈蕾

（空军预警学院，武汉430019）

摘要：根据Buck变换器的小信号模型，用两种设计方法设计了平均电流控制的Buck型双环开关调压系统

的数字双环控制器；然后给出了仿真分析；最后以TMS320F28335为DSP芯片搭建实验电路，通过实验对两种控制方式的控制效果进行了比较．仿真及实验结果表明，将频域法设计的连续域的补偿网络传递函数离散化得到离散域的补偿网络传递函数，平均电流控制的Buck型双环开关调压系统具有更好的响应特性．

关键词：Buck变换器；数字控制器；无差拍控制器中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：2095-5839(2019)01-0058-04

数控DC/DC变换器采用的控制方法可分为波电感、滤波电容的大小[7]

．

线性控制和非线性控制[1]

两大类．线性控制方1)滤波电感．当10%额定负载时，电感电流法有PID控制和频域法等．非线性控制方法有仍连续的条件下求得的滤波电感的电感量为

自整定控制[2]

、模糊控制

[3-4]、时间最优控制[5]

以

L=5(Vdn-Vo)VoT/(VdnIon)

(1)

及滑模变结构控制等控制技术．线性控制中式中T=1/f为开关周期．由给定参数可以求PID控制虽然算法简单，但数字PID参数往往通得L1=145.8 μH．

过试凑法整定，耗时费力，同时控制性能欠佳、2)滤波电容．假设滤波电容的等效串联电适应性较差[6]

．通常非线性控制方法有优良的阻(ESR)与其纯理想电容的乘积值为65´10-6 Ω×F，控制性能，但设计过程大多较为繁琐．所以数字使输出电压纹波峰峰值Vor小于输出电压的1%，控制器的最常用设计方法主要有频域法和无差则滤波电容的容量为

拍法2种，前者将通过频域法设计好的连续域的C=65´10-6´0.2Ion/Vor

(2)

补偿网络传递函数离散化，得到离散域的补偿网由给定参数可以求得C=520 μF．

络传递函数，后者对控制器进行离散化设计．本文针对平均电流控制的Buck型双环开关调压系2

2种Buck型双环开关调压系统电压外环

统，分别用频域法和无差拍法2种方式设计数字控制器补偿网络函数；利用Matlab/Simulink软件补偿网络设计方法

搭建仿真电路进行仿真和以TMS320F28335为2.1

平均电流控制的Buck型双环开关调压系统DSP芯片搭建数字双环控制的Buck变换器并编根据Buck变换器的控制原理可得到平均电

写相应控制程序，给出了这2种控制器对Buck流控制的Buck型双环开关调压系统的控制框图变换器的控制效果比较．仿真及实验的结果表如图1所示．图1中，Gvc(s)是电压外环补偿网明，用频域法设计数字控制器，平均电流控制的络的传递函数，Gm(s)为脉冲宽度调制(PWM)环Buck型双环开关调压系统具有更少的调节时间节的传递函数，Gic(s)是电流内环补偿网络传递和更小的超调量．

函数，H(s)为电压采样网络的传递函数，电感电

流i(s)对控制变量d(s)的传递函数[8]

：

1主电路参数设计

Gid(s)=i(s)/d(s)=Vdn/(sL)

(3)设Buck变换器的额定输入电压Vdn=12 V，

输出vo(s)对状态变量i(s)的传递函数：

输出电压Vo=5 V，额定输出电流Ion=2 A，开关Gvi(s)=vo(s)/i(s)=R/(RCs+1)

(4)

频率f=50 kHz，负载电阻为2.5 Ω．根据以上技代入主电路参数，可得到：Gid(s)=12/(146´10-6s)，

术指标要求，设计Buck变换器主电路中输出滤

Gvi(s)=2.5/(1.3´10-3s+1)．

收稿日期：2018-09-30

作者简介：胡方舟(1996-)，男，硕士生，主要从事电力电子与电力传动研究．

第1期

胡方舟，等：Buck变换器的两种不同数字控制器设计方法

59

ｖ^ｒｅｆ（ｓ）Ｇｖｃ（ｓ）Ｇｍ（ｓ）ｄ^（ｓ）Ｇｉｄ（ｓ）^ｉ　（ｓ）Ｇｖｉ（ｓ）ｖ^ｏ（ｓ）采用双线性变换法(Tustin变换法)对式(6)离散化，控制器的采样周期一般选择与PWM开关Ｇｉｃ（ｓ）周期相同

[11]

，则离散域的补偿网络传递函数为Ｈ（ｓ）Gvc(z)=Gvc(s)|s=2(z-1)

(7)

T(z+1)图1Buck型双环开关调压系统控制框图

当采样周期T=20 μs时，由已知参数，得G采用电流反馈控制具有以下优点[8-9]

：①改

vc(z)=善开关调节系统的瞬态和稳态特性；②功率350.2484z3-324.3288z2-349.7688z+324.80841.3436z3+0.6057z2-1.2423z-0.707

．

开关管的最大电流值；③改善整个系统的音频衰2.3使用无差拍法设计电压外环补偿网络函数

减率．为使电流环路设计满足技术指标要求，同无差拍法是指设计出的数字控制器能够使时使系统结构尽量简单，本文的电流内环补偿网系统在典型的输入(单位阶跃、单位速度、单位加络采用比例控制，比例系数设为2，即Gic(s)=2．

速度)作用下，系统的调节时间最短或者系统在2.2频域法设计电压外环补偿网络函数

有限个采样周期内结束过渡过程．无差拍随动因为系统采用了双环控制，设H(s)=1，

系统框图如图3所示，其中，T为采样器的采样Gm(s)=1/10，

故平均电流控制的Buck型双环开关周期，D(z)是无差拍数字调节器模型；H0(s)为调压系统在未加电压外环补偿网络时，原始回路

零阶保持器的传递函数；G(s)是控制对象的传输出vo

(s)对控制变量d(s)的传递函数Go

(s)为

递函数；H(s)为电压采样网络的传递函数．

G(s)=vo(s)H(s)Gm(s)Gid(s)Gvi(s)

Ｒ（ｓ）Ｅ（ｚ）Ｕ（Ｙ（ｓ）Ｙ（ｚ）od(s)

=1+GG)=

m(s)id(s)Gic(s-ＴＤ（ｚ）ｚ）ＴＨ０（ｓ）Ｇ（ｓ）Ｔ采样器采样器采样器VdnR

2RCLs2+(2VＨ（ｓ）dnRC+10L)s+2V(5)

dn

代入主电路参数，得

图3

无差拍随动系统框图

零阶保持器的传递函数为

G(s)=1.581´107

os2

+1.721´104s+1.2´107HsT0(s)=(1-e-)/s

(8)

设加入补偿网络Gvc(s)后，回路函数Go(s)Gvc(s)

零阶保持器和控制对象离散化后的广义对象的的增益交越频率fg=8 kHz．根据未加外环补偿传递函数为

网络的原始回路传递函数GHG(z)=Z[H0(s)G(s)]

(9)o(s)的幅频特性，可[12]

得到类似于第二类误差放大器的电压外环补偿无差拍调节器

的传递函数：网络传递函数Gvc(s)

[10]

为

D(z)=U(z)/E(z)

(10)

(1+在本文设计的平均电流控制的Buck型双环开关G=A2πfz1/s)(1+s/(2πfz2))vc(s)VM

(1+s/(2πf(6)

调压系统中，控制对象的传递函数G(s)=Gp1))(1+s/(2πfp2))o(s)．式中，A假设输入信号为单位阶跃信号，当采样周期T=VM=6.36，fz1=fz2=300 Hz，fp1=fp2=100 kHz，即G(s)=1.332´

109s2+5.022´1012s+4.733´101520 μs时，

通过计算可得vcs3+1.257´106s2+3.948´1011s

．1.53´10-3(1+0.968z-1HG(z)=

)z-1

将补偿网络的幅频特性和平均电流控制的Buck

1-1.9058z-1+0.9071z-2型双环开关调压系统原始回路函数幅频特性相D(z)=

1-1.9058z-1+0.9071z-2

加，得到补偿后回路函数G1.53´10-3(1-0.032z-1-0.968z-2)

o(s)Gvc(s)的幅频特性如图2所示．由图2可知，幅频特性在8 kHz处以3

仿真及实验结果

-20 dB/dec斜率通过１０0 dB线，

相角裕度为90°．５００3.1

仿真结果

　／　ｄＢ设仿真电路参数为：开关频率f=50 kHz，输

度幅-５００-１００入电压为12 V，滤波电感为146 μH，滤波电容为-１５００520 μF，

负载电阻为2.5 Ω．2种方法设计的数控／（　　）-９０角-１８０Buck变换器输出电压仿真结果如图4所示．

相-２７０１００１０２１０４１０６由图4可知，频域法设计的数控平均电流控频率／Ｈｚ制的Buck型双环开关调压系统，其输出电压的图2

补偿后回路函数Go(s)Gvc(s)的幅频特性

调节时间为4ms，超调量为8.2%；无差拍法设计

60空军预警学院学报2019年

的数控平均电流控制的Buck型双环开关调压系统的主程序部分主要是进行初始化；通过设置统，其输出电压调节时间为6ms，超调量为TMS320F28335芯片的各种功能模块，来设定系75.7%．由此可知，对数控平均电流控制的Buck统各功能模块的工作方式．完成初始化工作后，型双环开关调压系统，采用频域法设计控制器比系统进入等待状态．如果中断产生，系统则进入采用无差拍法设计控制器有更好的控制效果．

[13]

６９中断服务子程序

．

本设计采用TI公司TMS320F28335芯片的／Ｖ４／Ｖ７压压ePWM1模块控制ADC定时采样，每20 μs执行一电２电５出出输输３次ADC中断服务子程序．在ADC中断服务子程０５２０１０序中完成A/D转换、A/D校准和控制算法的实时间１０／ｍｓ１５５时间１０／ｍｓ１５２０现，ePWM2模块的中断程序中完成PWM信号的(a)频域法

(b)无差拍法

产生，达到控制主电路的目的．

图42种方法设计的数控Buck变换器输出电压

图5中主电路参数为：开关频率50 kHz，输3.2实验结果

入电压12 V，滤波电感150 μH，滤波电容570 μF，基于TMS320F28335数字控制器的硬件电路

负载电阻2.5 Ω；控制电路参数为Rc=25 mΩ，R1=主要包括电压采样、PWM信号输出．DSP的作10 kΩ，R2=1 kΩ，R3=3 kΩ，R4=1.2 kΩ，R5=R6=10 kΩ，用就是将由模数转换(ADC)模块得到的数字信R7=100 Ω，R8=3 kΩ，R9=200 Ω．对用2种方法设

号先进行数字滤波，再经控制算法计算，得到1计控制器的Buck型双环开关调压系统的输出电个与输入量相对应的PWM信号，经过光耦隔离压波形分别进行实验观测，实验结果如图6后，驱动开关管开通或者关断

[13]

．设计的数控

所示．

Buck型双环开关调压系统电路如图5所示．

ＶｄＶＴＲ１ＶＬ）Ｒ２ＤＲＣＲＶｏ格＋１５Ｖｃ／（１Ｖ／ｏ　８　Ｔ　　Ｌ７　Ｐ　　２６５　　０　５Ｒ６Ｒｖ４１　　　２　　　３　　　４Ａ３１ＶＡＲ５Ｒ２Ｒｔ／（１０　ｍｓ　／　格）Ｒ９８ＤＳＡＤＣＩＮＡ１ＤＺ１ＰＷＭ波ＰＲ７(a)频域法

ＡＤＣＩＮＡ０ＶＤＺ２Ａ３）图5数控Buck型双环开关调压系统电路

／格图5中电源V／（１Ｖd(1014 V)、开关管VT、续流ｖｏ　二极管VD和滤波电感L、滤波电容C组成主电路．由采样电阻检测到的双环反馈信号在输入ｔ／（２５　ｍｓ　／　格）到DSP的ADC时，必须在DSP芯片允许采样范(b)无差拍法

围(0～3V)以内，因此需要电压变换电路．电压图62种方法设计控制器的实验结果

变换电路的作用就是把采样电路的输出经电平由图6可知，在以上2种方法设计的控制器变换，缩小到ADC的接收范围之内．数控平均调节下，变换器输出电压都能够稳定在给定值电流控制的Buck型双环开关调压系统的输出电(5V)不变，满足控制要求．频域法设计的控制器压经过反向放大器由5V变为2V，在3V以内，的调节时间为10ms，且超调量很小；无差拍设计然后再经过1个反向跟随器、1个稳压二极管送法控制器调节时间为75ms，超调量为16%．

至DSP的ADC采样通道ADCINA1．电感电流通过25 mΩ的采样电阻变为电压信号，然后经过运4结束语

算放大器放大，最后送至DSP的ADC采样通道本文采用频域法和无差拍法2种不同控制

ADCINA0．

器设计方法设计了Buck变换器的数字控制器补数控平均电流控制的Buck型双环开关调压偿网络函数，使用Matlab/Simulink仿真软件搭建系统软件分为主程序部分和中断程序部分．系

仿真电路进行了仿真；基于TMS320F28335型

第1期胡方舟，等：Buck变换器的两种不同数字控制器设计方法

61

DSP芯片编写了相应控制程序，搭建了实验电IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2009,56(6):路．仿真及实验结果表明，由频域法设计的补偿2237-2248.网络函数，经过双线性变换得到离散域补偿网络[5]

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TwodifferentdigitalcontrollerdesignmethodsforBuckconverter

HUFangzhou,ZHAOHongtao,QIChengchao,CHENLei

(AirForceEarlyWarningAcademy,Wuhan430019,China)

Abstract：AccordingtothesmallsignalmodelofBuckconverter,thispaperusestwodesigningmethodstodesignthedigitaldouble-loopcontrolleroftheBuckdouble-loopswitchvoltageregulationsystemwithaveragecurrentcontrol.Andthenasimulationanalysisisgiven.Finally,TMS320F28335isusedastheDSPchiptobuildtheexperimentalcircuit,andthecontrollingeffectsofthetwocontrolmethodsarecomparedexperimentally.Sim-ulationandexperimentalresultsshowthatwhenthecompensationnetworktransferfunctionofthecontinuousdo-maindesignedbyfrequencydomainmethodisdiscretizedtoobtainthecompensationnetworktransferfunctionofdiscretedomain,theBuckdoubleloopswitchingvoltageregulatingsystemwithaveragecurrentcontrolwillhavebetterresponsecharacteristics.

Keywords：Buckconverter；digitalcontroller；deadbeatcontroller

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